Способ получения полевой электронной эмиссии

Реферат

 

Использование: для получения электронных потоков, применяемых, например, для воздействия на поверхность твердого тела. Сущность изобретения: при приложении электрического напряжения к острийному катоду, изготовленныму из кремния p-типа проводимости регистрируют вольтамперную характеристику эмиттера, и с учетом ее устанавливают рабочее напряжение в диапазоне U1=Uраб U2 , соответствующем участку вольтамперной зависимости, для которого выполняется условие (lgI2-lgI1)/(I/U1-1/U2)5104 , где U1,2 - электрические напряжения, обеспечивающие получение средних токов эмиссии I1,2 соответственно. По данным энергетического спектра в общем числе эмиттированных электронов 20% приходится на пары электронов, а 15% летят группами по 3. Эмиссия скоррелированных электронов приводит к усилению пиковых значений тока эмиссии. 3 ил.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для получения электронных потоков, применяемых в электронных приборах, в частности, для воздействия на поверхность твердого тела.

Известен способ получения полевой электронной эмиссии, заключающийся в приложении к острийному металлическому катоду электрического напряжения и отборе тока эмиссии.

Однако для стабильной работы таких катодов давление остаточных газов не должно превышать примерно 10-9 мм рт.ст.

Известен способ получения полевой электронной эмиссии, заключающийся в приложении электрического напряжения к острийному катоду из полупроводникового материала, в том числе кремния р-типа проводимости, и отборе тока эмиссии со снятием вольтамперной зависимости, имеющей немонотонный характер. Используемые в известном способе катоды могут стабильно работать в более низком вакууме вплоть до величин порядка 10-5 мм рт.ст.

Однако в известных способах в элементарном акте эмиссии, под которым понимается единичное одновременное испускание того или иного числа электронов, появляется один электрон. При этом именно пролетом одного носителя заряда (электрона) между катодом и анодом определяется пиковое значение регистрируемого импульса тока. Естественно средний ток, который используется при снятии вольтамперной зависимости, определяется числом электронов, испускаемых катодом и достигающих анода за 1 с. Таким образом, недостатком известного способа является малое пиковое значение тока эмиссии.

Целью изобретения является усиление пиковых значений тока эмиссии за счет эмиссии скоррелированных электронов.

Это достигается тем, что в известном способе получения полевой электронной эмиссии с острийного катода, изготовленного из кремния р-типа проводимости, заключающемся в приложении к катоду электрического напряжения и измерении эммиссионного тока и регистрации вольтамперной зависимости, имеющей немонотонный характер, в соответствии с изобретением рабочее напряжение Uраб устанавливают в диапазоне U1 Uраб U2, соответствующем участку вольтамперной зависимости, удовлетворяющем условию 5104 , где U1 и U2 - электрические напряжения, обеспечивающие получение средних токов эмиссии I1 и I2 соответственно, В.

Предлагаемый диапазон рабочих напряжений был определен экспериментально на основе измерений вольтамперных характеристик полевой эмиссии ряда острийных катодов из кремния р-типа проводимости с удельным сопротивлением 10-106 Омсм и соответствующих спектральных зависимостей.

На фиг. 1 представлена типичная вольтамперная характеристика полевого острийного эмиттера из кремния р-типа проводимости; на фиг.2 и 3 - моноэнергетические кривые.

Характеристика получена в вакууме 10-7 мм рт.ст. и имеет немонотонный характер. Исследования показали, что такого рода зависимость присуща полевой эмиссии острийных катодов из кремния р-типа с удельным сопротивлением в диапазоне 101-106 Омсм при температуре эмиттера в исходном состоянии от 77К (температура жидкого азота) до 300К. Естественно, при одних и тех же значениях напряжения отбираемые с эмиттера токи полевой эмиссии уменьшаются при его охлаждении.

Вольтамперная зависимость имеет несколько характерных участков (фиг.1), При увеличении напряжения U (величина I/U при этом уменьшается) происходит возрастание тока эмиссии (участок 1), что обусловлено полевой эмиссией из вырожденной зоны проводимости. Наличие участка 2 насыщения объясняется истощением поверхностной зоны проводимости, а ток эмиссии определяется потоком электронов из объема эмиттера. Дальнейшее возрастание тока эмиссии при увеличении напряжения определяет наличие на вольтамперной зависимости участка 3 и обусловлено туннельной эмиссией горячих электронов. Сильное увеличение тока на участке 4 (фиг.1) связано с прохождением значительной части электронов над барьером, часть электронов по-прежнему проходит сквозь потенциальный барьер на границе полупроводник-вакуум.

Эксперименты показали, что именно на участке 4, удовлетворяющем условию (lgI2 - lgI1)/(I/U1 - I/U2) 5104, где I1 и I2 - средние токи эмиссии, А; U1 и U2 - электрические напряжения, В, обеспечивающие получение токов I1 и I2, наряду с одиночными эмиттированными электронами наблюдаются группы из 2 и 3 электронов, т.е. имеет место эмиссия скоррелированных электронов. Такая корреляция, как известно, присуща надбарьерному прохождению электронов. При этом в предлагаемом способе по-прежнему реализуются свойства, присущие чисто полевой эмиссии: точечность источника, высокие плотности тока и т.п.

Способ осуществляют следующим образом.

Для работы выбирают острый полевой эмиттер, выполненный из кремния р-типа. К изготовленному из такого материала эмиттеру, помещенному в электровакуумный прибор, прикладывают электрическое напряжение, изменяют его, начиная с минимальных значений, и измеряют эмиссионный ток. Рабочее напряжение Uраб устанавливают таким образом, что выполняется эмпирическое соотношение (lgI2 - lgI1)/(I/U1 - I/U2) 5104, где I - средний ток эмиссии, А; U - электрическое напряжение, В. В дальнейшем при неоднократных включениях эмиттера можно не производить измерений тока и напряжения, а устанавливать непосредственно уже определенное и известное для конкретного прибора рабочее напряжение Uраб.

П р и м е р. Острийный катод был выполнен из кремния р-типа с удельным сопротивлением 4103 Омсм и помещен в электровакуумный прибор. Прибор позволил исследовать численность элементарных актов полевой эмиссии при помощи известной установки. Для эмиттера, охлажденного до температуры жидкого азота, регистрировали вольтамперную зависимость и по известным значениям напряжений и токов контролировали выполнение эмпирического отношения (lgI2 - lgI1)/(I/U1 - I/U2) 5104, где U1,2 - электрические напряжения, В, обеспечивающие получение средних токов эмиссии I1,2, А. При этом каждому новому значению напряжения и тока присваивается индекс 2, а последующему -индекс 1. На одном из очередных этапов получили следующие значения токов и напряжений: U1 = 1,30104 B, I1 = 10-8 A, U2 = 1,75104 B, I2 = 10-7 A. Тогда (lgI2 - lgI1)/U1 - I/U2) = =1104/(0,77-0,57) = 5104, B, т.е. эмпирическое соотношение оказалось выполненным. В связи с этим рабочее напряжение Uраб должно выбираться в диапазоне 1,30104 В Uраб 1,75104 В. В данном случае было выбрано следующее значение рабочего напряжения Uраб = 1,30104 В. Средний ток эмиссии составлял при этом 10-8 А. Анализ энергетического спектра эмиттированного потока электронов показал, что примерно 65% из них пролетают межэлектродный зазор по одному, 20% парами, 15% всех электронов летят группами по три.

Сравнение с энергетическим спектром полевой электронной эмиссии при Uраб<U (для прототипа), как показано на фиг.2 и 3, показывает, что соответственно усиливаются пиковые значения тока.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в увеличении пиковых значений тока полевой эмиссии при определенных режимах его отбора. Поэтому предлагаемый способ может быть использован в электровакуумных устройствах, применяемых в микротехнологии, например, для создания на поверхности анода рисунка, состоящего из элементов нанометровых размеров. Поскольку расстояние эмиттер-анод в таких случаях должно быть достаточно малым, что накладывает известные ограничения на применяемые электрические напряжения, увеличение пиковых значений тока и соответственно энергий эмиттируемых групп электронов позволяет повысить эффективность воздействия на поверхность.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛЕВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ с острийного катода, изготовленного из кремния p-типа проводимости, заключающийся в приложении к нему электрического напряжения, измерении эмиссионного тока и регистрации вольтамперной зависимости, имеющей немонотонный характер, отличающаяся тем, что, с целью увеличения пиковых значений тока эмиссии за счет эмиссии скоррелированных электронов, рабочее электрическое напряжение Uраб устанавливают в диапазоне U1 Upаб U2 , соответствующем участку вольтамперной зависимости, удовлетворяющему условию 5104 , где U1,2 - электрические напряжения, обеспечивающие получение средних токов эмиссии I1,2, А соответственно, В.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3